Arch Med Sąd Kryminol 2016; 66 (3): 172–181 DOI: https://doi.org/10.5114/amsik.2016.66401

archiwum medycyny sądowej i kryminologii

Praca poglądowa Review paper

Paulina Całka, Marzanna Ciesielka, Grzegorz Buszewicz, Grzegorz Teresiński

Zmienność żołądkowej dehydrogenazy alkoholowej a ryzyko uzależnienia od alkoholu Variation in gastric and the risk of alcohol dependence

1Katedra i Zakład Medycyny Sądowej Uniwersytetu Medycznego w Lublinie 2Studium Medycyny Molekularnej 1Chair and Department of Forensic Medicine, Medical University in Lublin 2Postgraduate School of Molecular Medicine

Streszczenie Uzależnienie od alkoholu stanowi problem zarówno medyczny, jak i społeczno-ekonomiczny. Jest zaliczane do chorób o charakterze wieloczynnikowym, czyli takich, za które odpowiadają relacje gen–gen oraz gen–środo- wisko. Wieloośrodkowe badania nad genetycznym podłożem alkoholizmu podkreślają znaczenie genów kodu- jących enzymy szlaku rozkładu etanolu w organizmie ludzkim, szczególnie dehydrogenazy alkoholowej (ADH) w rozwoju choroby. Z pięciu klas dehydrogenaz alkoholowych związek z uzależnieniem od alkoholu wykazują izoen- zymy klasy I i IV. Klasa IV jest szczególnie interesująca ze względu na jej występowanie w górnym odcinku przewodu pokarmowego, głównie w żołądku. Nie wykazano aktywności tego enzymu w wątrobie. Polimorfizm pojedynczych nu- kleotydów (SNP) genu kodującego tę klasę, czyli ADH7, wpływa na jej aktywność utleniającą etanol w świetle żołądka i tym samym na metabolizm pierwszego przejścia ( FPM) tej substancji. Opublikowane wyniki różnych ośrodków ba- dawczych pokazują, że konkretne zmiany typu SNP w genie ADH7 mają odmienne znaczenie dla ryzyka uzależnienia od alkoholu w zależności od badanej populacji. Słowa kluczowe: ADH7, alkoholizm, metabolizm pierwszego przejścia.

Abstract Alcohol dependence is both a medical and socioeconomic problem. The disease is multifactorial, i.e. its development is attributable to -gene and gene-environment interactions. Multi-centre studies investigating the genetic back- ground of alcoholism stress the role of encoding of the ethanol decomposition pathway in the human body, particularly alcohol dehydrogenase (ADH), in the development of alcohol dependence. Among five classes of alcohol dehydrogenases, class I and IV isoenzymes have been found to be associated with alcohol dependence. Class IV is of particular interest due to its occurrence in the upper gastrointestinal tract, mainly in the stomach. No activity of the has been demonstrated in the liver. Single nucleotide polymorphism (SNP) of the gene encoding ADH class IV (ADH7) affects its ethanol-oxidizing activity in the gastric lumen, thereby influencing the first-pass metabo- lism (FPM) of the substance. The findings published by various research centres have demonstrated that specific SNP changes in the ADH7 gene are of different significance for the risk of alcohol dependence according to the population studied. Key words: ADH7, alcoholism, first-pass .

Copyright © 2016 by PTMSiK Arch Med Sąd Kryminol 2016; vol. 66: 172–181

Wprowadzenie Introduction

Alkohol etylowy jest spożywany w nieomal każ- Ethyl alcohol is consumed in almost every soci- dym społeczeństwie, a jego popularność wynika głów- ety, and its popularity is mainly attributable to the nie z faktu, że jest łatwy w produkcji, najmniej tok- fact that it is easy to produce and characterized by syczny spośród alkoholi alifatycznych oraz wykazuje the least toxic and the most prominent “psychoac- największe spośród nich działanie „psychoaktywne” tive” effects of all aliphatic alcohols [1]. Alcohol de- [1]. Uzależnienie od alkoholu to powszechna i złożona pendence is a widespread and complex disease [2] choroba [2], która stanowi poważny problem zarówno which represents both a medical and socioeconomic społeczno-ekonomiczny, jak i medyczny. Na skłonność problem. The propensity for alcohol dependence re- do alkoholizmu składa się połączenie efektów wielu sults from a combination of multiple factors includ- czynników, takich jak: geny związane ze szlakami me- ing genes related to alcohol metabolism pathways, tabolizmu alkoholu, elementy środowiskowe i obec- environmental components and coexisting mental ność współwystępujących zaburzeń psychicznych [3]. disorders [3]. W 2015 r. opublikowano wyniki projektu „Epi- The EZOP (“Epidemiology of mental disorders demiologia zaburzeń psychiatrycznych i dostępność and access to mental health care”) study published psychiatrycznej opieki zdrowotnej” (EZOP), które in 2015 shows that over 2% of the Polish adult pop- wykazały, że ponad 2% osób dorosłych w Polsce speł- ulation meet the criteria of alcohol dependence. nia kryteria uzależnienia od alkoholu. Nadmierne Excessive consumption of alcoholic beverages is as- spożycie napojów alkoholowych wiąże się w znacz- sociated to a considerable extent with the mortali- nym stopniu z umieralnością Polaków, włączając w to ty rates in the Polish population including cases of przypadki samobójstw oraz utonięć w stanie intok- suicide and drowning while intoxicated with alcohol sykacji alkoholem [4]. Według danych Państwowej [4]. Data compiled by the State Agency for the Pre- Agencji Rozwiązywania Problemów Alkoholowych vention of Alcohol-Related Problems (PARPA) indi- (PARPA) średnie spożycie alkoholu w przeliczeniu cate that the average per capita alcohol consumption na jednego mieszkańca systematycznie wzrasta (dane in Poland is growing steadily (2014 data) [5]. The re- z 2014 r.) [5]. Amerykański, wieloośrodkowy projekt sults obtained in the U.S. multi-centre research proj- badawczy zajmujący się ustalaniem genetycznego ect investigating the genetic background of alcohol podłoża uzależnienia od alkoholu (COGA) przyniósł dependence (Collaborative Study on the Genetics of wyniki wskazujące na związek występowania alko- Alcoholism – COGA) reveal a correlation between holizmu z regionem na chromosomie 4 skupionym alcoholism and a 4 region located near w pobliżu klastra genów dehydrogenazy alkoholowej, the gene cluster encoding alcohol dehydrogenase – enzymu odpowiedzialnego za rozkład etanolu [2]. an enzyme responsible for ethanol decomposition Celem niniejszej pracy jest przedstawienie znaczenia [2]. The present study aims to outline the role of żołądkowego metabolizmu alkoholu etylowego oraz gastric metabolism of ethyl alcohol and its effect on jego wpływu na biodostępność etanolu. the bioavailability of ethanol.

Eliminacja etanolu w organizmie ludzkim Ethanol elimination from the body

Dystrybucja alkoholu w organizmie zachodzi The distribution of alcohol in the body takes place poprzez wodę zawartą w tkankach. Dzięki właści- through water contained in body tissues. Thanks to wościom fizycznym etanol może przenikać przez its physical properties ethanol is able to pass through błony biologiczne zgodnie z gradientem stężeń [6], biological membranes according to the concentra- a największy odsetek wchłaniania spożytego alko- tion gradient [6], and in terms of percentages ingest- holu zachodzi w jelitach (ok. 75%), ale także w żo- ed alcohol is absorbed primarily in the intestines (ca. łądku (ok. 25%) [7, 8]. 75%), but also in the stomach (ca. 25%) [7, 8]. Spożyty alkohol ulega reakcjom katabolicznym, Following ingestion, alcohol undergoes catabolic które w ostatnim etapie powodują jego rozkład na reactions which in the final stage result in its decom- związki nietoksyczne, a głównym miejscem meta- position into non-toxic compounds. The principal

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii Archives of Forensic Medicine and Criminology 173 Paulina Całka, Marzanna Ciesielka, Grzegorz Buszewicz, Grzegorz Teresiński Zmienność żołądkowej dehydrogenazy alkoholowej a ryzyko uzależnienia od alkoholu

ADH – dehydrogenaza alkoholowa; g-ADH – „żołądkowa” dehydrogenaza alkoholowa; MEOS – mikrosomalny układ utleniania etanolu; XO – oksydaza ksantynowa; ALDH – dehydrogenaza aldehydowa ADH – alcohol dehydrogenase; g-ADH – gastric alcohol dehydrogenase; MEOS – the microsomal ethanol oxidizing system; XO – xanthine oxidase; ALDH – aldehyde dehydrogenase Ryc. 1. Szlaki eliminacji etanolu po podaniu doustnym w organizmie ludzkim (opracowano na podstawie [10] z modyfikacjami) Fig. 1. Pathways of ethanol elimination after oral alcohol intake (based on [10] with modifications)

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii 174 Archives of Forensic Medicine and Criminology Arch Med Sąd Kryminol 2016; vol. 66: 172–181

bolizmu etanolu jest wątroba. Odkrycie Julkunena, site of ethanol metabolism is the liver. When Julkunen który zauważył, że u szczurów po podaniu doust- discovered that a considerable amount of ethanol ad- nym znaczna ilość etanolu nie weszła do krwiobie- ministered orally to rats did not enter the circulation, gu, zapoczątkowało badania nad metabolizmem research was undertaken to determine the metabo- tego związku poza wątrobą. Wykazał on, że część lism of the compound outside the liver. The research- spożytego alkoholu może być metabolizowana przez er showed that in rats some ingested alcohol can be śluzówkę żołądka szczurów [9]. Zmienia to pogląd metabolized by the gastric mucosa [9]. The finding na zjawisko określane mianem metabolizmu pierw- changes the traditional view of the first-pass metabo- szego przejścia (FPM), który definiowany jest jako lism (FPM) which is defined as the difference between różnica pomiędzy ilością substancji spożytą a ilością the amount of a substance that is ingested and the trafiającą do krwiobiegu [10]. Pierwotnie uważano, amount that reaches the circulation [10]. Initially, alco- że odpowiada za niego tylko wątroba, jednak żołąd- hol was thought to undergo the first-pass metabolism kowy FPM alkoholu etylowego stwierdzono rów- exclusively in the liver, however gastric FPM was also nież u ludzi oraz wykazano jego spadek wraz z dłu- observed in humans, and was shown to decrease along goterminowym spożyciem alkoholu. Potwierdzono with long-term alcohol consumption. The observation to u pacjentów po dodwunastniczym podawaniu was corroborated in patients after intraduodenal ad- etanolu i u osób poddanych resekcji żołądka [9]. ministration of ethanol and after gastric resection [9]. Katabolizm etanolu może przebiegać w trzech The catabolism of ethanol can be based on three różnych procesach: przy udziale katalazy (mniej niż different processes: with the involvement of catalase 0,1% przyjętej dawki), mikrosomalnego systemu (less than 0.1% of the ingested dose), microsomal utleniania etanolu (do 10%) lub dzięki aktywności ethanol oxidizing system (up to 10%) or the ac- enzymów z rodziny dehydrogenaz alkoholowych. tivity of enzymes from the alcohol dehydrogenase Ostatni z nich ma największe znaczenie w metabo- family. The latter is of the greatest significance for lizmie alkoholu spożytego, szczególnie w znacznych the metabolism of alcohol consumed especially in ilościach, co ma miejsce podczas tzw. picia towarzy- large quantities, which typically takes place during skiego. so-called “social drinking”. Dehydrogenaza alkoholowa (ADH) utlenia ma- Alcohol dehydrogenase (ADH) oxidizes a max- ksymalnie 90% przyjętej dawki alkoholu do toksycz- imum of 90% of the ingested alcohol dose to toxic nego aldehydu octowego, który z kolei zostaje prze- acetaldehyde which, in turn, is converted to harm- kształcony w nieszkodliwy kwas octowy, dzięki ak- less acetic acid thanks to the activity of aldehyde tywności dehydrogenazy aldehydowej (ALDH) [10] dehydrogenase (ALDH) [10] (Fig. 1). Both enzymes (ryc. 1.). Obydwa enzymy wykazują funkcjonalne demonstrate functional polymorphisms which af- polimorfizmy, które wpływają na ich aktywność fect their activity towards the substrate, resulting in względem substratu, co powoduje indywidualne individual variation of their oxidizing abilities and, zróżnicowanie ich zdolności utleniających i w na- consequently, inter-individually variable attitudes to stępstwie osobniczo odmienny stosunek do spoży- the consumption of alcoholic beverages (so-called wania napojów alkoholowych (tzw. drinking beha- drinking behaviour) [11]. viour) [11]. Alcohol dehydrogenase Dehydrogenaza alkoholowa The ADH enzyme family is divided into classes Rodzina enzymów ADH dzieli się na klasy pod based on their kinetic properties, substrate speci- względem ich właściwości kinetycznych, specyficz- ficity, similarity of amino acid sequences and tissue ności substratowej, podobieństwa sekwencji amino- distribution. The genes encoding the ADH isoen- kwasów i dystrybucji tkankowej. Geny izoenzymów zymes are located on in the form of ADH zlokalizowane są w postaci klastra o kolejności a cluster with the gene sequence of ADH7–ADH1C– genów ADH7–ADH1C–ADH1B–ADH1A–ADH6– ADH1B–ADH1A–ADH6–ADH4–ADH5 and a size ADH4–ADH5 i wielkości ok. 365 kpz na chromo- of about 365 kbp [12–14]. All of them are dimeric somie 4 [12–14]. Wszystkie są dimerycznymi pep- peptides with a zinc atom in the catalytic site, with

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii Archives of Forensic Medicine and Criminology 175 Paulina Całka, Marzanna Ciesielka, Grzegorz Buszewicz, Grzegorz Teresiński Variation in gastric alcohol dehydrogenase and the riskof alcohol dependence

Tabela I. Charakterystyka enzymów z rodziny ADH [18–20] Table I. Characteristics of ADH family enzymes [18–20] Klasa Lokalizacja na chromosomie Gen Allele Podjednostki Główne lokalizacje Class Location on a chromosome Gene Allele białkowe w organizmie Protein subunits Tissue distribution I 4q22 ADH1 ADH1A ADH1 ADH1A α wątroba liver

4q22 ADH2 ADH1B ADH2*1 ADH1B*1 β1 wątroba, płuca liver, lungs ADH2*2 ADH1B*2 β2

ADH2*3 ADH1B*3 β3 4q22 ADH3 ADH1C ADH3*1 ADH1C*1 γ1 wątroba, żołądek, ADH3*2 ADH1C*2 γ2 jelita, nerki liver, stomach, intestines, kidneys II 4q21-25 ADH4 ADH2 ADH4 ADH2 π wątroba liver III 4q21-25 ADH5 ADH3 ADH5 ADH3 χ wszystkie tkanki all tissues IV 4q23-24 ADH7 ADH4 ADH7 ADH4 σ lub µ żołądek, przełyk stomach, esophagus V 4q21-25 ADH6 ADH5 ADH6 ADH5 brak danych brak danych no data no data

tydami z atomem cynku w centrum katalitycznym a molecular weight of 40 kDa [15, 16]. Only some o masie cząsteczkowej 40 kDa [15, 16]. Tylko część of them play a significant role in ethanol elimina- z nich odgrywa istotną rolę w eliminacji etanolu, tion: ADH1B and ADH1C present in the liver, and a dokładnie ADH1B i ADH1C występujące w wą- ADH7. The latter is less efficient in ethanol catabo- trobie oraz ADH7. Ostatni jest mniej wydajny w ka- lism compared to class I ADH, and its main site of tabolizmie etanolu w porównaniu z ADH klasy I, action is the stomach. a jego głównym miejscem działania jest żołądek. Gastric dehydrogenase Dehydrogenaza „żołądkowa” The expression of class I and IV alcohol dehy- W śluzówce żołądka zachodzi ekspresja dehydro- drogenases occurs in the gastric mucosa, however genaz alkoholowych klas I i IV, aczkolwiek badania in in vitro studies of the kinetic properties of these en- vitro właściwości kinetycznych tych enzymów wykaza- zymes have shown that at high alcohol concentra- ły, że klasa I w warunkach wysokiego stężenia alkoho- tions (achieved during so-called “social drinking”) lu (jakie jest osiągane podczas „picia towarzyskiego”) class I is inhibited by an excess of the substrate [21, podlega inhibicji poprzez nadmiar substratu [21, 22]. 22]. The class IV isoenzyme ADH7 has a low affinity Izoenzym ADH7, należący do klasy IV, ma niskie po- to ethanol (Michaelis constant: Km = 40 mM) com- winowactwo do etanolu (przy stałej Michaelisa: Km = pared to class I isoenzymes (Km: 0.05–34) [1, 2, 23]. 40 mM), w porównaniu z izoenzymami klasy I (Km However, the action site of ADH7 does not seem in- w granicach 0,05–34) [1, 2, 23]. Jednakże miejsce dzia- cidental, as the same in vitro studies have shown it łania ADH7 wydaje się nieprzypadkowe, ponieważ te to exhibit the greatest activity out of all alcohol de- same badania in vitro wykazały, że podczas spożywa- hydrogenases during the consumption of alcoholic nia napojów alkoholowych ma on największą aktyw- beverages [24]. Consequently, alcohol present in the ność spośród wszystkich dehydrogenaz alkoholowych gastric lumen is partially absorbed but also metabo- [24]. Zatem alkohol znajdujący się w świetle żołądka lized. A prolongation of the time of gastric emptying

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii 176 Archives of Forensic Medicine and Criminology Arch Med Sąd Kryminol 2016; vol. 66: 172–181

jest częściowo wchłaniany, ale również metabolizowa- increases the duration of activity of the enzyme on ny. Wydłużenie czasu opróżniania żołądka zwiększa ethanol, thus increasing the first-pass metabolism of czas działania enzymu na etanol i tym samym zwięk- the substance [1, 25]. The above process may have sza FPM tej substancji [1, 25]. Wynikiem powyższego an effect on the bioavailability of alcohol and also może być wpływ na biodostępność alkoholu i zarazem on its level in the blood and exhaled air [21]. The jego poziom we krwi i powietrzu wydychanym [21]. phenomenon is referred to as “alcohol deficit”, i.e. Określane jest to mianem „deficytu alkoholowego”, the difference between the maximum level of alco- czyli różnicy pomiędzy maksymalnym stężeniem al- hol in the blood estimated with the classic Widmark koholu we krwi oszacowanym wg klasycznego wzoru formula and the actual maximum concentration of Widmarka a rzeczywistym maksymalnym stężeniem alcohol in the blood [10]. Studies conducted in vol- alkoholu we krwi [10]. Badania przeprowadzone na unteers ingesting various alcoholic beverages under ochotnikach, którzy na czczo spożywali różnego ro- fasting conditions showed that the concentration of dzaju napoje alkoholowe, wykazały, że po 90 min alcohol in the gastric lumen 90 minutes after the in- od spożycia stężenie alkoholu w świetle żołądka jest take was lower than 0.5%, and the gastric emptying mniejsze niż 0,5%, a szybkość opróżniania żołądka rate in these conditions depended on a variety of w tych warunkach zależy od wielu cech napoju alkoho- alcoholic beverage characteristics such as ingested lowego, m.in. spożywanych objętości, wartości pH, ka- volumes, pH level, caloric value, ethanol concentra- loryczności, stężenia etanolu oraz właściwości niealko- tion and properties of non-alcoholic ingredients of holowych składników napoju [26]. Czas przebywania the consumed beverage [26]. The retention time of alkoholu w żołądku zależy także od innych czynników, alcohol in the stomach also depends on other factors takich jak spożycie tłustych pokarmów, intensywny including the consumption of fat-rich foods, inten- wysiłek fizyczny czy niektóre leki [27]. sive physical exercise or certain drugs [27]. Wpływ na poziom żołądkowego FPM, oprócz In addition to the time of enzyme action, the czasu działania enzymu, ma również jego ilość oraz gastric FPM level is also influenced by the amount aktywność. Aktywność ADH7 zależy od zmienności and activity of the enzyme. The activity of ADH7 genetycznej ADH7, a także od czynników zewnętrz- depends on the genetic variation in ADH7 as well nych, w tym przyjmowanych leków (inhibitorów re- as external factors including medications used ceptora H2, tj. cymetydyny, ranitydyny, famotydyny, (H2 receptor inhibitors, i.e. cimetidine, ranitidine, oraz inhibicji przez aspirynę, kwas salicylowy, pa- famotidine, and inhibition by aspirin, salicylic acid, racetamol, propranolol) czy chorób żołądka (m.in. paracetamol, propranolol) or gastric diseases (e.g. zanikowe zapalenia żołądka czy przewlekłe zapale- atrophic gastritis or chronic gastritis – also caused nia błony śluzowej żołądka, w tym spowodowane by Helicobacter pylori infection) [17, 24]. Any type zakażeniem Helicobacter pylori) [17, 24]. Wszelkie of damage to gastric mucosa reduces the metabo- uszkodzenia śluzówki żołądka obniżają metabolizm lism of alcohol in the stomach, as class IV ADH is alkoholu w tym organie, ponieważ ADH klasy IV mainly present in the superficial cells and in gastric występuje głównie w komórkach powierzchniowych mucous neck cells. This class of ADH is present in i komórkach szyjki gruczołów śluzowych żołądka. the entire upper section of the gastrointestinal tract, Ta klasa ADH jest obecna w całym górnym odcinku so also in the gums, tongue and oesophagus, how- układu pokarmowego, czyli także w dziąsłach, języku ever considering the fact that the contact time with i przełyku, aczkolwiek z racji krótkiego czasu kon- ingested alcohol is short, this does not have an im- taktu ze spożytym alkoholem nie ma to znaczącego portant effect on the metabolism of ethanol [28]. wpływu na metabolizm etanolu [28]. The class IV enzyme is also efficient at retinol Enzym klasy IV jest również wydajny w utlenia- oxidation with the kinetic constant Km = 0.002 niu retinolu ze stałą kinetyczną Km = 0,002 mM [29], mM [29]. Furthermore, it is partially expressed in ponadto wykazuje częściową ekspresję w ośrodko- the central nervous system and, together with oth- wym układzie nerwowym oraz wraz z pozostałymi er alcohol dehydrogenases, it is implicated in the dehydrogenazami alkoholowymi jest zaangażowany metabolism of various dopamine-dependent neu- w metabolizm różnych dopaminozależnych neuro- rotransmitters. Ethanol competes with retinol for transmiterów. Etanol konkuruje z retinolem o miej- the enzyme’s active site, and high concentrations of

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii Archives of Forensic Medicine and Criminology 177 Paulina Całka, Marzanna Ciesielka, Grzegorz Buszewicz, Grzegorz Teresiński Zmienność żołądkowej dehydrogenazy alkoholowej a ryzyko uzależnienia od alkoholu sce w centrum aktywnym enzymu, a duże stężenia the alcohol inhibit the metabolism of the other sub- tego alkoholu hamują metabolizm drugiego substra- strate, leading to a dysfunction of the dopaminergic tu, prowadząc do dysfunkcji systemu dopaminergicz- system. This may suggest a potential role of the en- nego. Może to sugerować rolę tego enzymu w etiologii zyme in the aetiology of neuropsychiatric disorders schorzeń neuropsychiatrycznych, w tym uzależnienia including alcohol dependence [13, 30]. od alkoholu [13, 30]. Variation in the ADH7 gene Zróżnicowanie genu ADH7 Single nucleotide polymorphism (SNP) with- Polimorfizm pojedynczych nukleotydów (SNP) in the ADH7 gene may contribute to differences in w obrębie genu ADH7 może się przyczyniać do róż- enzyme action between individuals within the same nic w działaniu enzymu pomiędzy osobnikami tej population. The variants which lead to an amino samej populacji. Warianty, które powodują zmianę acid change in the protein may affect the activity aminokwasu w białku, mogą wpływać na aktyw- of the enzyme towards the substrate. An increase ność enzymu względem substratu. Zwiększanie lub or decrease in the activity of gastric dehydrogenase zmniejszanie aktywności dehydrogenazy żołąd- has an impact on the alcohol elimination rate [1]. kowej ma swój efekt w tempie eliminacji alkoholu For example, an increase in ADH7 activity resulting [1]. Przykładowo zwiększenie aktywności ADH7 in a faster rate of ethanol conversion to acetalde- skutkujące szybszym przekształcaniem etanolu do hyde reduces the time of ethanol intoxication and aldehydu octowego skraca czas intoksykacji etano- exacerbates hangover symptoms associated with lem oraz potęguje dolegliwości tzw. zespołu dnia the accumulation of acetaldehyde [2, 14, 30–33]. It następnego związane z nagromadzeniem aldehydu is manifested by tachycardia, facial flushing, gen- octowego [2, 14, 30–33]. Objawia się on przyspie- eral sensation of malaise, impaired concentration, szoną akcją serca, zaczerwienieniem twarzy, uczu- drowsiness and apathy, leading to alcohol intoler- ciem rozbicia, zaburzeniem koncentracji, sennością, ance syndrome [34]. Single nucleotide polymor- apatią, czego konsekwencją jest zespół nietolerancji phism variation in intron sequences and in regula- alkoholu [34]. Zróżnicowanie SNP w sekwencjach tory sequences near the ADH7 gene may alter the intronowych i sekwencjach regulatorowych znaj- amount of enzyme produced, which also translates dujących się w pobliżu genu ADH7 może zmieniać into the rate of ethanol oxidation in the gastric lu- ilość produkowanego enzymu, co znajduje odbicie men and acetaldehyde accumulation. w tempie utleniania etanolu w świetle żołądka i na- A large number of literature reports point to the gromadzania aldehydu octowego. correlation between a particular SNP change in the Wiele danych literaturowych podkreśla fakt, że ADH7 gene and the risk of alcohol dependence. występuje związek pomiędzy daną zmianą SNP genu Multiple gene studies reveal a special association ADH7 a ryzykiem występowania uzależnienia od between the ADH1B-ADH1C-ADH7 region and the alkoholu. Badania obejmujące wiele genów wskazu- development of alcohol dependence [2, 14, 30–33]. ją na szczególny związek regionu ADH1B–ADH1C– The studies referred to above investigated the occur- ADH7 z występowaniem uzależnienia od alkoholu rence of specific gene variants and their statistical [2, 14, 30–33]. W wyżej wspomnianych pracach correlation with the development of the disease. In badawczych rozważano występowanie konkretnych theoretical terms, considering only the ethanol ox- wariantów genu i ich związek statystyczny z poja- idation reaction, different effects can be expected wieniem się jednostki chorobowej. Teoretycznie, depending on how a given SNP affects the activity biorąc pod uwagę tylko reakcję utleniania etanolu, of the enzyme – either protective or increasing the w zależności od wpływu danego SNP na aktywność risk of alcohol dependence. However, analyses show enzymu możemy się spodziewać różnych efektów, to that the effect may also include other factors such jest ochronnych lub zwiększających ryzyko uzależ- as, for example, ethnic background. As a result, a nienia od alkoholu. Wyniki analiz pokazują jednak, particular change inducing a protective effect in one że na ten efekt mogą się składać jeszcze inne czynni- population does not necessarily produce the same ki, w tym pochodzenie etniczne. Oznacza to, że kon- effect in another [35]. For example, an analysis of

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii 178 Archives of Forensic Medicine and Criminology Arch Med Sąd Kryminol 2016; vol. 66: 172–181

kretna zmiana mająca charakter protekcyjny w jed- European Americans in the USA points to a sig- nej populacji nie musi wykazywać efektu w innej nificant correlation between the rs284787 (ADH7) [35]. Przykładowo analiza grupy europejsko-ame- polymorphism in the form of a recessive allele and rykańskiej w Stanach Zjednoczonych podaje istotny symptoms of alcohol dependence according to the związek polimorfizmu ADH7 rs284787 w postaci DSM-IV (Diagnostic and Statistical Manual of allela recesywnego z symptomami uzależnienia od Mental Disorders) classification of the American alkoholu według klasyfikacji DSM-IV (Diagnostic Psychiatric Association [36]. In contrast, the results and Statistical Manual of Mental Disorders) Ame- of other studies, conducted in a group comprising rykańskiego Towarzystwa Psychiatrycznego [36]. individuals of Southern and Northern European or- Z kolei wyniki innych badań na grupie pochodzenia igin and also focused on the above-mentioned SNP, południowo- i północnoeuropejskiego, uwzględnia- show a correlation between ADH7 and altered alco- jące również wyżej podaną zmianę SNP, pokazują, hol metabolism which, however, is not reflected in iż istnieje związek ADH7 ze zmianami w metabo- the risk of developing alcohol dependence [22]. The lizmie alkoholu, ale nie ma to odzwierciedlenia analyses of changes in introns, e.g. studies conduct- w ryzyku występowania uzależnienia od tej substan- ed by Peng et al., which corroborated earlier results cji [22]. Analizy zmian w obrębie intronów, m.in. ba- obtained by two study groups, indicate that changes dania Penga i wsp., które potwierdziły wcześniejsze within introns of the ADH7 gene frequently demon- wyniki dwóch grup badawczych, wskazują, że zmia- strate a protective role against alcoholism [37]. ny w obrębie intronów genu ADH7 często wykazują Another theory is associated with the activity of rolę ochronną przeciwko alkoholizmowi [37]. ADH7 towards retinol and other non-ethanol sub- Inna teoria wiąże się z aktywnością ADH7 strates. The exploration of mechanisms underlying względem retinolu oraz pozostałych nieetanolo- these metabolic pathways and gaining detailed in- wych substratów. Poznanie mechanizmów leżących sights into the role of alcohol dehydrogenases in u podstaw tych szlaków metabolicznych i zbadanie their course may provide significant information szczegółowej roli dehydrogenaz alkoholowych w ich about the aetiology of many diseases. In addition przebiegu może dać istotne informacje o podłożu to their relationship with the occurrence of alcohol wielu chorób. Warianty ADH7, poza zależnością dependence, the ADH7 variants also suggest a cor- występowania uzależnienia od alkoholu, sugerują relation with the incidence of severe depression [32] związek z częstością występowania poważnych de- and Parkinson’s disease [38]. presji [32] oraz chorobą Parkinsona [38]. Summary Podsumowanie The discrepancies observed between the results of Niezgodności pomiędzy wynikami różnych different studies and the role of a particular SNP and badań i znaczeniem danego polimorfizmu SNP the risk of alcohol dependence may be related to ethnic a ryzykiem uzależnienia od alkoholu mogą być wy- diversities, which is why they should be investigated nikiem różnic etnicznych, dlatego też powinno się in specific populations. It is also important to explore je rozpatrywać w konkretnej populacji. Istotne jest in detail the molecular background of the pathways także zgłębienie wiedzy o podłożu molekularnym which may involve class IV ADH, and determine mu- szlaków, w których może uczestniczyć enzym ADH- tual relationships existing between changes in the ac- IV, oraz ustalenie wzajemnych zależności między tivity of the enzyme and the pattern of these pathways. zmianami aktywności enzymu a przebiegiem tych The relationship between ADH7 polymorphisms and szlaków. Analiza związku polimorfizmów ADH7 the development of a particular disease should be in- z występowaniem jednostki chorobowej powinna vestigated in a sufficiently large study group to ensure się odbywać na dostatecznie dużej grupie osób ba- that their role is accurately accounted for. danych, aby w pełni uchwycić ich znaczenie. Another important issue is determining in what Kolejną kwestię stanowi odniesienie powyższych ways the above differences in the metabolism of eth- różnic metabolizmu alkoholu etylowego do zakresu yl alcohol should be reflected in the scope of tasks działań jednostek medycyny sądowej. Zwiększony performed by forensic medicine institutions. An in-

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii Archives of Forensic Medicine and Criminology 179 Paulina Całka, Marzanna Ciesielka, Grzegorz Buszewicz, Grzegorz Teresiński Variation in gastric alcohol dehydrogenase and the riskof alcohol dependence lub zmniejszony metabolizm pierwszego przejścia creased or decreased first-pass metabolism of ethanol etanolu zmienia jego biodostępność i maksymalne alters its bioavailability and maximum concentration stężenie we krwi, a co za tym idzie – czas trwania in the blood, which also affects the duration of alco- alkoholemii [1, 25]. Stwarza to problem w prawidło- holaemia [1, 25]. Consequently, problems arise with wym opiniowaniu dla potrzeb organów ścigania i wy- the preparation of accurate forensic expert opinions miaru sprawiedliwości. for law enforcement agencies and the judiciary. Analizując dotychczasowe badania, można Based on the studies conducted to date, it ap- stwierdzić, że należy rozszerzyć badania “żołądkowe- pears that investigations of the “gastric” metabolism go” metabolizmu alkoholu na kolejne grupy etnicz- of alcohol should also be expanded into other ethnic ne, w tym również polską, oraz ustalić jego wpływ na groups, including the Polish population, and its im- wyniki prospektywnych i retrospektywnych obliczeń pact on the results of prospective and retrospective stężenia alkoholu we krwi. Natomiast rozpoznane measurements of alcohol concentration in the blood warianty związane z ryzykiem występowania uza- should be determined. Furthermore, the variants leżnienia od alkoholu mogą posłużyć jako markery shown to be linked to the risk of alcohol dependence zwiększonej podatności na ten rodzaj uzależnienia, may be used as markers of increased susceptibility co z kolei umożliwiłoby wprowadzenie profilaktyki to this type of dependence, which in turn would uzależnień w rodzinach objętych ryzykiem. make it possible to introduce alcohol dependence prevention measures in high-risk families.

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów. The authors declare no conflict of interest.

Piśmiennictwo References 1. Crabb DW, Matsumoto M, Chang D, You M. Overview of the role of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase and their variants in the genesis of alcohol-related pathology. Proc Nutr Soc 2004; 63: 49-63. 2. Edenberg HJ, Xuei X, Chen H-J, Tian H, Wetherill LF, Dick DM, Almasy L, Bierut L, Bucholz KK, Goate A, Hesselbrock V, Ku- perman S, Nurnberger J, Porjesz B, Rice J, Schuckit M, Tischfield J, Begleiter H, Forout T. Association of alcohol dehydrogenase genes with alcohol dependance: a comprehensive analysis. Hum Mol Genet 2006; 15: 1539-1549. 3. Manzardo AM, McGuire A, Butler MG. Clinically relevant genetic biomarkers from the brain in alcoholism with representation on high resolution chromosome ideograms. Gene 2015; 560: 184-194. 4. Kiejna A, Piotrowski P, Adamowski T, Moskalewicz J, Wciórka J, Stokwiszewski J, Rabczenko D, Kessler RC. Rozpowszechnienie wybranych zaburzeń psychicznych w populacji dorosłych Polaków z odniesieniem do płci i struktury wieku – badanie EZOP Polska. Psychiatr Pol 2015; 49: 15-27. 5. Oficjalna strona Państwowej Agencji Rozwiązywania Problemów Alkoholowych. http://www.parpa.pl/index.php/badania-i- informacje-statystyczne/statystyki. 6. Cederbaum A. Alcohol metabolism. Clin Liver Dis 2012; 16: 667-685. 7. Klusek J, Klusek J. Alkohol a układ pokarmowy. Kosmos 2012; 294: 169-175. 8. Witek B, Kwiecień-Blonska E, Zmorzyński S. Alkohol a niektóre enzymy. Kosmos 2012; 294: 77-82. 9. Frezza M, Di Padova C, Pozzato G, Terpin M, Baraona E, Lebier CS. High blood alcohol levels in women. The role of decreased gastric dehydrogenase activity and First-Pass Metabolism. N Engl J Med 1990; 322: 95-99. 10. Tutaj K. Interakcja metaboliczna etanolu i pochodnych cyklicznych ketonów w homogenatach ludzkiej tkanki wątrobowej, praca doktorska, Uniwersytet Medyczny w Lublinie 2011. 11. Wang J, Wei J, Xu X, Pan W, Ge Y, Zhou C, Liu C, Gao J, Yang M, Mao W. Replication Study of ESCC Susceptibility Genetic Polymorphisms Locating in the ADH1B-ADH1C-ADH7 Cluster Identified by GWAS. PLoS One 2014; 9: e94096, doi:10.1371/ journal.pone.0094096. 12. Zuo L, Zhang H, Malison RT, Li CS, Zhang XY, Wang F, Lu L, Wang X, Krystal JH, Zhang F, Deng HW, Luo X. Rare ADH variant constellations are specific for alcohol dependence. Alcohol Alcohol 2013; 48: 9-14. 13. Luo X, Kranzler HR, Zuo L, Zhang H, Wang S, Gelernter J. ADH7 variation modulates extraversion and conscientiousness in substance-dependent subjects. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet 2008; 147B(2): 179-186. 14. Marusin AV, Stepanov VA, Spiridonova MG, Puzyrev VP. Alcohol dehydrogenases ADH1B and ADH7 gene polymorphism in Russian population from the Siberian region. Mol Biol (Mosk) 2004; 38: 625-631.

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii 180 Archives of Forensic Medicine and Criminology Arch Med Sąd Kryminol 2016; vol. 66: 172–181

15. Chiang CP, Wu CW, Lee SP, Ho JL, Lee SL, Nieh S, Yin SJ. Expression pattern, ethanol-metabolizing activities, and cellular loca- lization of alcohol and aldehyde dehydrogenases in human small intestine. Alcohol Clin Exp Res 2012; 36: 2047-2058. 16. Parlesak A, Billinger MHL, Bode C, Bode JC. Gastric alcohol dehydrogenase activity in man: influence of gender, age, alcohol consumption and smoking in a caucasian population. Alcohol Alcohol 2002; 37: 388-393. 17. Oze I, Matsuo K, Suzuki T. Impact of multiple alcohol dehydrogenase gene polymorphisms on risk of upper aerodigestive tract cancers in a Japanese population. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2009; 18: 3097-3102. 18. Baza danych GeneCards – Human Gene Database: http://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=ADH7 19. Edenberg HJ. The genetics of alcohol metabolism: role of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase variants. Alcohol Res Health 2007; 30: 5-13. 20. Duester G, Farres J, Felder M, Holmes R, Höög JO, Pares X, Plapp B, Yin SJ, Jörnvall H. Recommended nomenclature for the verterbrate alcohol dehydrogenases gene family. Biochem Pharmacol 1999; 58: 389-395. 21. Birley AJ, James MR, Dickson PA, Montgomery GW, Heath AC, Whitfield JB, Martin NG. Association of the gastric alcohol dehydrogenase gene ADH7 with variation in alcohol metabolism. Hum Mol Genet 2008; 17: 179-189. 22. Birley AJ, James MR, Dickson PA, Montgomery GW, Heath AC, Martin NG, Whitfield JB. ADH single nucleotide polymorphism association with alcohol metabolism in vivo. Hum Mol Genet 2009; 18: 1533-1542. 23. Kedishvili NY, Bosron WF, Stone CL, Hurley TD, Peggs CF, Thomasson HR, Popov KM, Carr LG, Edenberg HJ, Li TK. Expres- sion and kinetic characterization of recombinant human stomach alcohol dehydrogenase. Active-site amino acid sequence explains substrate specificity compared with liver isozymes. J Biol Chem 1995; 270: 3625-3630. 24. Lee SL, Chau GY, Yao CT, Wu CW, Yin SJ. Functional assessment of human alcohol dehydrogenase family in ethanol metabo- lism: significance of first-pass metabolism. Alcohol Clin Exp Res 2006; 30: 1132-1142. 25. Hines RN, McCarver DG. The ontogeny of human drug-metabolizing enzymes: phase I oxidative enzymes. J Pharmacol Exp Ther 2002; 300: 355-360. 26. Rubbens J, Brouwers J, Wolfs K, Adams E, Tack J, Augustijns P. Ethanol concentration in the human gastrointestinal tract after intake of alcoholic beverages. Eur J Pharm Sci 2016; 86: 91-95. 27. Oneta CM, Simanowski UA, Martinez M, Allali-Hassani A, Parés X, Homann N, Conradt C, Waldherr R, Fiehn W, Coutelle C, Seitz HK. First pass metabolism of ethanol is strikingly influenced by the speed of gastric emptying. Gut 1998; 43: 612-619. 28. Łaniewska-Dunaj M, Jelski W, Szmitkowski M. Dehydrogenaza alkoholowa – znaczenie fizjologiczne i diagnostyczn. Postepy Hig Med Dosw 2013; 67: 901-907. 29. Yin SJ, Chou CF, Lai CL, Lee SL, Han CL. Human class IV alcohol dehydrogenase: kinetic mechanism, functional roles and medical relevance. Chem Biol Interact 2003; 143-144: 219-227. 30. Luo X, Kranzler HR, Zuo L, Zhang H, Wang S, Gelernter J. ADH7 variation modulates extraversion and conscientiousness in substance-dependent subjects. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet 2008; 147B (2): 179-186. 31. Luo X, Kranzler HR, Zuo L, Wang S, Schork NJ, Gelernter J. Diplotype trend regression analysis of the ADH gene cluster and the ALDH2 gene: multiple significant associations with alcohol dependence. Am J Hum Genet 2006; 78: 973-987. 32. Zuo L, Zhang H, Malison RT, Li CS, Zhang XY, Wang F, Lu L, Wang X, Krystal JH, Zhang F, Deng HW, Luo X. Rare ADH variant constellations are specific for alcohol dependence. Alcohol Alcohol 2013; 48: 9-14. 33. Park BL, Kim JW, Cheong HS, Kim LH, Lee BC, Seo CH, Kang T, Nam YW, Kim GB, Shin HD, Choi IG., Extended genetic effects of ADH cluster genes on the risk of alcohol dependence: from GWAS to replication. Hum Genet 2013; 132: 657-668. 34. Czech E, Hartleb M. Polimorfizm genetyczny dehydrogenazy aldehydowej-2 (ALDH2) i znaczenie patofizjologiczne i kliniczne aldehydu octowego. Alkoholizm i Narkomania 2003; 16: 11-24. 35. Norden-Krichmar TM, Gizer IR, Wilhelmsen KC, Schork NJ, Ehlers CL. Protective variant associated with alcohol dependance in a Mexican American cohort. BMC Med Genet 2014; 15: 136. 36. Sherva R, Rice JP, Neuman RJ, Rochberg N, Saccone NL, Bierut LJ. Associations and interactions between SNPs in the alcohol metabolizing genes and alcoholism phenotypes in European Americans. Alcohol Clin Exp Res 2009; 33: 848-857. 37. Peng Q, Gizer IR, Libiger O, Bizon C, Wilhelmsen KC, Schork NJ, Ehlers CL. Association and ancestry analysis of sequence variants in ADH and ALDH using alcohol related phenotypes in a native american community sample. Am J Med Genet Part B 2014; 165B: 673-683. 38. Buervenich S, Sydow O, Carmine A, Zhang Z, Anvret M, Olson L. Alcohol dehydrogenase alleles in Parkinson's disease. Mov Disord 2000; 15: 813-818.

Adres do korespondencji Address for correspondence Paulina Całka Paulina Całka Katedra i Zakład Medycyny Sądowej Chair and Department of Forensic Medicine Uniwersytet Medyczny w Lublinie Medical University in Lublin ul. Jaczewskiego 8B Jaczewskiego 8B 20-090 Lublin, Polska 20-090 Lublin, Poland e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]

Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii Archives of Forensic Medicine and Criminology 181